基于针织结构的导电织物制备与性能评价.pdf

14针织技术2023年第7 期针织工业基于针织结构的导电织物制备与性能评价柯薇，梁艺馨，刘庞，邓中民（武汉纺织大学纺织科学与工程学院，湖北武汉4 30 0 0 0)摘要：为探讨不同针织物组织结构、织造密度对导电织物导电性能以及其服用性能的影响，采用同一原料在电脑横机上编织出具有不同线圈密度的罗纹组织、双罗纹组织、哇编组织共3种组织结构针织物，并测试其导电性能以及透气性、耐磨性的服用性能变化。结果表明：在一定范围内,3种不同组织结构的针织物其导电性均随其密度增大而增大，3种组织中哇编组织导电性最好，双罗纹组织次之，罗纹组织相对较差；在服用性能上，罗纹组织透气性最好，耐磨性最差；双罗纹组织透气性最差，耐磨性处于两者之间；哇编组织耐磨性最好，透气性略差于罗纹组织；同时，织物电阻的变化规律与线圈结构有关，织物组织结构同时也会对织物的性能产生较大影响。该研究结果将有助于针织结构可穿戴织物的开发。关键词：针织物；组织结构；织物密度；导电性能；透气性；耐磨性中图分类号：TS184.4文献标志码：B文章编号：10 0 0-4 0 33(2 0 2 3)0 7-0 0 14-0 4Preparation and Characterization of Conductive Fabric Based onKnitted StructureKe Wei,Liang Yixin,Liu Pang,Deng Zhongmin(School of Textile Science and Engineering,Wuhan Textile University,Wuhan,Hubei 430000,China)Abstract:In order to explore the influence of different knitted fabric structures and knitting density on theconductivity and wearability,three kinds of knitted structures including rib,interlock and cardigan with differentdensities and same raw materials were knitted on computerized flat knitting machine.The properties of electricalconductivity,air permeability and wearability were measured.The results show that within a certain range,theconductivity of knitted fabrics with three different structures increases with the increase of their densities,amongthe three structures,the conductivity of cardigan stitch is the best,the interlock stitch is the second,and the ribstitch is the poorest.The rib stitch has the best wearability but the worst abrasion performance,interlock stitch hasthe worst air permeability but the abrasion resistance in between,and the cardigan stitch has the best abrasionresistance with its air permeability slightly worse than rib and interlock stitches.Moreover,the resistance changes ofthe fabrics are related to the loop structure,and the structure of the fabric will also have a greater impact on theperformance of the fabric.The research results will help to the development of wearable knitted fabrics.Key words:Knitted Fabric;Structure;Knitting Density;Conductivity;Air Permeability;Abrasion Performance导电织物与一些导电填料的结合，在智能调温、电致变色、医疗应用、智能服装、传感器等智能产品上得到了广泛应用。导电织物具有较好的导电性以及服用性，较高的舒适性以及实用性，已成为电子可穿戴设备的主要研究对象。未来以柔性小压力产品为代表的智能服装产品将渗入到人们的日常生活，用于更多的领域 在柔性电子设备中，柔性压力传感器备受瞩目，在人机交互、运基金项目：湖北省技术创新专项（2 0 19 AAA005）。作者简介：柯薇（19 8 6 一），女，副教授，博士。主要从事纺织品的数字化设计与开发研究。针织技术2023年第7 期针织工业动监测和生理数据监测等领域展现出极大的应用潜力 2 。针织物弹性佳、柔性好，适合用作监测传感器的基底材料 3。针织导电织物是由导电纱线弯曲成线圈并穿套而成的复杂串并联电路，具有与人体皮肤较好贴合的优点，能减少因相对摩擦引起的滑动轨迹，从而提高信号采集精度。导电织物的制备方法有混织法、浸渍法、炭化法3种混织法主要是通过织物加工常用的方法将导电纱和绝缘纱混编织人织物中，这种方法较为简单且易于掌握 4 。浸渍法是将织造完成的织物放人有导电织物的溶液中进行浸泡，待织物完全渗透溶液后将织物烘干，便可得到导电织物 2 。炭化法是指生物材质的材料在缺氧的环境时，用来制备想要的炭材料的一种热解工艺 5 。研究发现,现有针织导电织物性能的影响因素主要集中于不同原料、尺寸及组织结构和制作工艺 6 ,针织工艺结构的可设计性使针织柔性传感器可以通过细观结构设计和功能纱线配置，实现传感性能、服用性能和时尚功能的协调平衡 7 。本试验以针织物为基布,采用相同材料在电脑横机上编织出不同密度的罗纹组织、双罗纹组织、睦编组织3种结构的针织物，并分析不同针织结构的导电织物的导电性能以及服用性能。1试验部分1.1材料和设备材料：本试验选用由涤纶、不锈钢丝混纺（混纺比为8 0:2 0）制成的17 5 dtex混纺纱线设备：SED-45E型电脑横机（宁波慈星股份有限公司），YG522型织物平磨仪（宁波纺织仪器厂），数字万用表（优利德科技有限公司），YG461织物透气仪（武汉国量仪器有限公司）。本次试验所需织物样布，其结构、密度设置及其他参数见表1。1.2导电针织物制备采用8 0%涤纶和2 0%不锈钢丝混纺的纤维纱线为原料，在电脑横机上编织罗纹、双罗纹、编组织针织物。第1组织物以罗纹组织为基础组织，第2 组织物以双罗纹组织为基础组织,第3组织物以哇编组织为基础组织，在编织时通过调节横机度目分别编织出3种不同密度的织物样品，织物规格具体见表1。1.3不同结构针织物导电性能测试为保证试验数据及结果的可靠性并降低误差，保证测试环境一致，将织物平摊并不施加压力地摆放在绝缘桌面上，分别取每块织物左、中、右3处，横向取10 0 mm长度的织物，采用数字万用表测试其电阻值，每块织物的不同位置分别测试3次，取其平均值为该块织物的电阻值。1.4不同结构针织物服用性能测试1.4.1透气性测试参照标准GB/T54531997纺织品织物透气性的测定，使用YG461透气性测试仪测试织物的透气性，将每个样品裁剪成不小于5cmx5 cm织物试样,将预先准备好的织物放置于测试台空隙之间，压紧加持部件，启动透气仪，抽风机开始工作，整个系统抽成真空环境，保证在试样的两侧形成一个固定的压力差，要确定织物平摊摆放在仪器上并且设备操作无误，每块织物量取3次结果并取得平均值。1.4.2耐磨性测试参照标准GB/T21196.42007纺织品马丁代尔法织物耐磨性的测定第4 部分：外观变化的评定，使用YG522型织物平磨仪测试织物的耐磨性，当组成纱线的部分纤维受到磨损而断裂后，纤维端竖起，使织物表面起毛。随着磨损继续进行，织物变薄，质量减轻，组织破坏，出现破洞 8 将每个样品剪成直径为12 5表1纬编织物规格表横密/纵密/总密度/织物组织结构织物编号纵行(5 cm)-横列(5 cm)-(个线圈(25 cm)-A1253025x30A224302430罗纹A323302330A422302230A5203020 x30B1453045x30B244304430双罗纹B3433043x30B442304230B5403040 x30C1453045x30C2443044x30哇编C3423042x30C4413041x30C5403040 x3016AAAA针织技术2023年第7 期针织工业mm的织物试样，试样上不得有疵点和折痕。将剪好的试样中间开一个孔，固定在圆盘上，用六角扳手旋紧夹住织物样布，开始试验，记录试验数据。加压重锤选择5 0 0 g，砂轮转速为9 0 r/min。调节吸尘管的高度和风量，计数器清零。启动电动机并进行试验。当有一根或两根丝缕断裂时，试验停止，及时检查试样的磨损程度，并记录摩擦次数 9-10 2试验结果2.1结构和密度与针织物导电性的关系不同组织结构的织物样本在电阻数值上具有一定差异，图1为3种不同组织织物随线圈横密增加时电阻的变化趋势18.016.014.012.010.08.06.04.0202122232425横密/纵行(5cm)-(a)罗纹织物10.08.06.04.0F2.0404142434445横密/纵行(5cm)(b)双罗纹织物3.02.52.01.51.00.5904142434445横密/纵行(5cm)-(c）哇编组织织物图1导电织物电阻随横密变化曲线由图1可知，导电织物表面的电阻数值会随着织物的密度变化而变化，罗纹组织织物、双罗纹组织织物、哇编组织织物的表面电阻数值均会随着横密度的减小而增大；罗纹组织具有较大的电阻，双罗纹织物次之，哇编组织的电阻较小。3条曲线的拟合函数分别为yi=-2.45x+67.11;y2=-1.85x+81.65;y3=-0.55x+95.32。2.2不同组织结构导电织物的透气性本次试验所测得的各织物透气值记录如图2 所示通过本次试验测量数据可知，5块罗纹组织织物的平均透气量为3587.6L/(ms）,双罗纹织物的平均透气量为2 38 6.8 L/(ms),哇编组织织物的平均透气量为2 8 5 6.0L/(ms）。透气性关系为：罗纹组织 睦编组织 双罗纹组织，罗纹组织织物的线圈间隔大，透气性好；哇编组织织物次之，双罗纹组织织物透气性最差2.3不同组织结构导电织物的耐磨性本次试验根据样片耐磨次数的多少来评定面料耐磨性能的强弱，试验所得数据如图3所示当织物组织相同的条件下，不同材质样品的耐磨转数较多的更加耐磨。当厚度、材质相同的条件下，用不同织物组织样品的耐磨转数来确定耐磨性能最好的织物组织。罗纹样布最薄，线圈最稀疏，耐磨性能最差；睦编组织最厚，具有最好的耐磨性；双罗纹组织织物则处于两者之间。每个组织的织物耐磨次数因横密变化而变化，一般情况下，随横密减小耐磨次数也减少，整体呈下降趋势 8.10 3丝结果分析3.1组织结构对织物导电性能的影响用导电纤维编织针织物可以赋予针织物良好的导电性能，织物电阻以及应变响应主要是由纤维间接触电阻造成的，并且电阻灵敏度与织物组织结构有很大关系。基于针织线圈循环结构建立电阻模块理论模型，如图4 所示 6 ,其中：Ra、R b 和Rd分别表示纱线针编弧部分、圈柱部分和沉降弧部分的电阻；Rc表示纱线与纱线间的接触5000.0,4000.03000.02.000.01 000.08880A1A2A3A4A5B1B2B3B4B5C1C2 C3C4C5导电织物样布编号图2织物透气量记录图3000200010000A1A2A3A4A5B1B2 B3B4B5C1C2C3C4C5导电织物样布编号图3织物耐磨次数统计图17链接2022年10 月10 日收稿日期针织技术2023年第7 期针织工业RaRaRcRdRdRbRbRbRaRcRcRcRdRdRbRbRa图4针织物线圈等效电阻模型电阻。随着织物稀疏程度的增大，织物电阻值逐渐变大，这可能是由于线圈相互间拉力发生了变化使结构特征也出现了波动的变化，随着织物稀疏程度的增大，并联线圈的比例变少，串联线圈的比例上升，电阻值出现上升的现象。相较而言，哇编组织和双罗纹织物比罗纹织物更厚，织物纱线交错次数越多，织物的电阻值就越小，排列越紧密，织物的导电性能就越好。3.2组织结构对织物服用性能的影响在本次试验所制得的3种样布中，罗纹组织织物的透气性最好，罗纹组织与双罗纹组织和睦编组织相比，其结构为单层织物，更加稀疏，外观看起来较为松散且无压力，平铺时的面积也最大，结构简单，没有较多的线圈集结在一起，织物厚度比较小，单薄通透，具有良好的透气性，但是耐磨性比较差。双罗纹组织的织物为双层织物，正反两面均有罗纹线圈集结在表面，织物厚度较大，且无压力平铺在桌面上的面积最小，卷边现象较严重，两边均出现卷边，透气性较差，耐磨性较好。哇编组织织物的厚度与双罗纹组织织物的厚度较为相近，均比罗纹组织织物厚，但其线圈卷绕程度小，故其透气性也与双罗纹组织织物相近，但比罗纹组织织物较差，耐磨性较好4结论4.1一般来说，织物越厚，织物纱线的交错次数越多，线圈越密，织物电阻值就越小，排列越紧密的织物导线性能就越好，耐磨性也会越好，透气性相对降低，4.2导电织物表面的电阻数值会随织物密度的变化而变化，罗纹组织织物、双罗纹组织织物、睦编组织织物的表面电阻数值均会随横密的减小而增大。4.3罗纹组织具有较大电阻，双罗纹组织次之，睦编组织具有的电阻值较小。说明织物组织结构，也就是织物中纱线的排列规律以及纱线交错次数对导电织物的导电性能有很大影响。4.4罗纹织物为单层织物，透气性最好，耐磨性最差。双罗纹织物和哇编组织织物均是双层织物，但是哇编组织线圈卷绕程度小，故睦编组织织物的透气性和耐磨性均优于双罗纹组织织物参考文献1衣卫京，郑嵘，顾远渊.导电针织面料在微小压力下的压阻性能研究 J.针织工业,2 0 14(9)：12-14.2牟迪迪，王雅梅，张琳萍，等.石墨烯导电弹性织物的制备及性能 J.印染，2021,47(5):1-5,18.3吴磊，李凯林，李龙.柔性传感针织物用不锈钢纱线与镀银纱线的性能J.上海纺织科技,2 0 2 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